EP2510612A2 - Dispositif de commande d'une msap - Google Patents

Dispositif de commande d'une msap

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EP2510612A2
EP2510612A2 EP10796330A EP10796330A EP2510612A2 EP 2510612 A2 EP2510612 A2 EP 2510612A2 EP 10796330 A EP10796330 A EP 10796330A EP 10796330 A EP10796330 A EP 10796330A EP 2510612 A2 EP2510612 A2 EP 2510612A2
Authority
EP
European Patent Office
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rotor
speed
sensor
msap
estimated
Prior art date
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Granted
Application number
EP10796330A
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German (de)
English (en)
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EP2510612B1 (fr
Inventor
Guilhem Lejeune
Sébastien VIEILLARD
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Hispano Suiza SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Hispano Suiza SA filed Critical Hispano Suiza SA
Publication of EP2510612A2 publication Critical patent/EP2510612A2/fr
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Publication of EP2510612B1 publication Critical patent/EP2510612B1/fr
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/13—Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters
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    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
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    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/16—Estimation of constants, e.g. the rotor time constant
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    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage

Definitions

  • the present invention relates to the control domain of synchronous machines with permanent magnets (MSAP).
  • a permanent magnet synchronous machine comprises a stator and a rotor.
  • the stator comprises windings connected in a star and the rotor comprises permanent magnets.
  • an MSAP is powered by an inverter which makes it possible to reduce the rate of ripple of currents and torque of the machine.
  • An MSAP has high torque and very low inertia. In addition, it has relatively low inductances, resulting in rapid responses of currents and therefore torque.
  • MSAPs in the motorization of high power and high performance actuators, in particular in the onboard systems of an aircraft.
  • FIG. 5 schematically represents a system comprising a control device 101, an inverter 111 and an MSAP 103.
  • the inverter 111 supplies the MSAP 103 from a DC voltage. It allows to impose on the terminals the MSAP 103 of amplitude and frequency voltages adjustable by the control device 101.
  • the control device 101 is configured to vectorially control the voltages of the inverter 111 as a function of the electrical data 106 of return and especially of a precise data on the position ⁇ of the rotor. This information usually comes from a position or speed sensor placed on the shaft of the machine.
  • the MSAP can also be modeled in a very simple way in a rotating reference linked to the rotor.
  • FIG. 6 illustrates a rotating reference mark d-q linked to the rotor (called a Park mark) comprising a direct axis Od and a quadrature axis Oq.
  • the direct axis Od is at an angle ⁇ relative to a fixed axis OOC linked to the stator. More precisely, the angle ⁇ designates the position of the rotor marked by its excitation axis Od.
  • Vq Ri i + L - ⁇ ⁇ pC1Lid + e i
  • a rotary reference estimation ⁇ - ⁇ whose position i3- and speed ⁇ ⁇ are known.
  • the axis O 0 of the estimation mark ⁇ - ⁇ is at an angle ⁇ 3 with respect to the fixed axis O a and an angle ⁇ with respect to the axis Od.
  • the angle ⁇ indicates the offset between the axes O0 and Od
  • the problem of sensorless vector control then consists in determining the angular velocity ⁇ ⁇ so that the positional deviation ⁇ between i3- and ⁇ is canceled.
  • ⁇ ⁇ Ri y + L-- - p ⁇ l c Li s + e y with ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ and 3 ⁇ 4, i the voltage and current components in the ⁇ - ⁇ coordinate system, ⁇ ⁇ the angular velocity of the ⁇ - ⁇ , and e 5 , e y the components of the fem in the ⁇ - ⁇ coordinate system defined by the following relations:
  • the e 5 , e y components of the femur are estimated in the ⁇ - ⁇ estimation rotating marker. If this coincides with the d-q mark bound to the rotor, the direct component of the fem in the rotating estimate mark becomes zero. This gives a criterion which makes it possible to correct the position i3- and the speed ⁇ ⁇ of the rotating estimation mark ⁇ - ⁇ so that it synchronizes with the reference mark d - q linked to the rotor. Then, the position and the speed of the rotor are deduced directly from the position and the speed of the estimation mark ⁇ - ⁇ .
  • the problem of sensorless vector control is then limited to determining a control law defining the angular velocity ⁇ ⁇ and the components of the stator voltages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ in the ⁇ - ⁇ mark which guarantees the regulation of ⁇ to zero, and the components of the currents 3 ⁇ 4, i at their references href ref determined by the reference torque Y ref .
  • Figure 7 schematically illustrates a sensorless control device.
  • This control device comprises a torque-current converter 137, vector control means 119, and a modeling of the 114 inverter-MSAF assembly in the ⁇ - ⁇ coordinate system.
  • the converter 137 realizes the passage of the current torque by transforming the value of the reference torque (or costimetry torque) Y ref into reference currents 3 ⁇ 4 ,, i, corresponding in the ⁇ - ⁇ mark.
  • This control law defines the angular velocity ⁇ ⁇ and the components of the stator voltages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ in the ⁇ - ⁇ coordinate system as a function of the components of the currents 3 ⁇ 4, i obtained from the measurements of the return currents, and the currents of the references i Sref , i yref .
  • a sensorless control device is particularly robust because it includes one less sensing element. Thus, a sensorless control device is simpler to implement and can have a longer life than a control device with sensor.
  • a position sensor is generally very accurate and therefore, a control device using a position sensor can regulate the voltages of the inverter supplying the MSAF with more precision than a sensorless control device.
  • the object of the present invention is therefore to provide a control device of an MSAF having an optimal reliability and a very high security which are major concerns in aeronautics.
  • the present invention relates to a control device of a synchronous machine with permanent magnets "MSAP" comprising a stator and a rotor and powered by an inverter, the control device comprising:
  • control means for controlling an operating point of the MSAP as a function of the position of the rotor and of the setpoint parameters
  • estimating means for determining an estimate ⁇ of the position of the rotor in a Park reference frame ⁇ - ⁇ bound to the rotor, said estimation means comprising adjustment means for setting said estimated rotor position ⁇ in continuation with respect to said measured position of the rotor 0 m ,
  • a fault detector for detecting a failure of said sensor
  • a switch configured to connect the control means to the sensor so that the control means receive the measured position 6 m from the rotor as long as the fault detector does not signal any failure of said sensor, and otherwise to connect the control means to the control means; estimating so that the control means receives the estimated position ⁇ of the rotor when the fault detector signals a failure of said sensor.
  • this device promotes the control of the MSAP with the measurement taken by the sensor and goes to control without a sensor when a sensor anomaly has been detected while allowing to avoid to have a large gap between the two positions at the moment when the command with sensor switches to a command without sensor.
  • the estimation means comprise:
  • an electromotive force estimator for estimating components ê, ê of the "fem” electromotive force in the Park reference frame of ⁇ - ⁇ estimation as a function of the quantities defined in said Park mark comprising components of the currents 3 ⁇ 4, i obtained from the measurements of the stator currents, the components of the stator voltages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ corresponding to the setpoint voltages of the inverter, and a rotation speed ⁇ ⁇ of the rotor,
  • a velocity estimator using said estimated components ê s , ê of the fem from the electromotive force estimator and using a nonlinear corrector to determine the rotation speed ⁇ ⁇ according to a control law having a global convergence domain comprising a single asymptotically stable equilibrium point corresponding to the logged operating point of the MSAP,
  • the control device thus makes it possible to control the MSAP in the event of a sensor failure according to a control law presenting a domain overall convergence that limits convergence to the only desired operating point regardless of the position of the rotor relative to the stator.
  • said speed estimator comprises a first estimator configured to determine a preliminary estimate ⁇ of the speed of rotation as a function of the estimated component de of the femur associated with the y axis and a physical parameter.
  • K f predetermined depending on the characteristics of the permanent magnets of the rotor, according to the following formula:
  • non-linear corrector configured to regulate the speed of rotation by introducing a correction term to said estimated value ⁇ of the speed of rotation according to the following formula:
  • K li) .sign (ê s) with 0 ⁇ ⁇ 1 and - ⁇ ⁇ b ⁇ - 1
  • the non-linear signal can be towards a real reference of the rotor by controlling the electromotive force associated with e s the ⁇ axis to zero by making any undesired unstable operating point. This requires rapid convergence to the desired operating point while permitting inversion of the rotational speed.
  • Said adjustment means are configured to make a PI between the position of the rotor 0 m measured and the position of the rotor ⁇ estimated.
  • the adjustment means may advantageously comprise an inhibiting means for inhibiting the adjustment means when a failure of said sensor is detected.
  • the correction provided by the adjustment means is advantageously inhibited since the position of the measured rotor 0 m is likely to be false.
  • said estimation means comprise initialization means for resetting the estimation of the position of the rotor ⁇ with a last estimate ⁇ 0 of the position of the rotor before the detection of a failure of the sensor.
  • the invention also relates to a synchronous machine with permanent magnet MSAP comprising a control device according to the above characteristics.
  • the invention also relates to an actuator in an aircraft comprising an MSAP according to the above characteristics.
  • the invention also relates to a method for controlling a synchronous machine with permanent magnets "MSAP" comprising a stator and a rotor and fed by an inverter, the control method comprising the following steps:
  • the control method further comprises the following steps:
  • the control method further comprises the following steps:
  • K 1- ⁇ . ⁇ "() With 0 ⁇ ⁇ 1 and -! - ⁇ b ⁇ -
  • the invention also relates to a computer program comprising instructions for implementing the control method above.
  • FIG. 1 shows schematically a control device of a synchronous machine with permanent magnets "MSAP" according to the invention
  • FIG. 2 diagrammatically represents an embodiment of the control device of FIG. 1;
  • FIG. 3 diagrammatically represents an embodiment of the speed estimator illustrated in FIG. 2;
  • FIGS. 4A and 4B schematically show particular embodiments of the adjustment means illustrated in FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 5 diagrammatically represents a device for controlling an MSAP, according to the prior art
  • FIG. 6 represents a Park marker linked to the rotor of an MSAP
  • FIG. 7 schematically shows a control device of a sensorless MSAP, according to the prior art.
  • FIG 1 schematically shows a control device 1 of a synchronous machine with permanent magnets "MSAP" 3, according to the invention.
  • the MSAP 3 is powered by an inverter 11 which imposes the voltages v a , v b , v c across the stator windings 5.
  • the inverter-MSAP assembly according to a three-phase model is shown schematically by the block 13.
  • the control device 1 comprises a position sensor 15, electrical measurement means 17, and control means 19.
  • the position sensor 15 is a resolver (for example, a Hall effect sensor or any other type of resolver) mounted on the MSAP 3 to accurately take the measurement 0 m from the position of the rotor 7.
  • the position can also be determined indirectly by measuring the speed of rotation of the rotor instead of its position.
  • the position sensor may include means for measuring the rotational speed and an integrator for determining the position.
  • the electrical measurement means 17 are configured to measure electrical return data and more particularly, to measure the stator currents i a , i b , i c of the MSAP 3.
  • the control means 19 receive signals on the position of the rotor, signals on the stator currents i a , i b , i c measured by the electrical measurement means 17, and data on the reference torque Y ref and / or the reference rotation l ref .
  • the control means 19 comprise a transformation interface 21 between the three-phase model of the inverter-MSAP 13 assembly and a two-phase model in a Park reference system. This transformation makes it possible to transform the physical quantities of a three-phase model towards a two-phase model and vice versa, as a function of the position of the rotor 7.
  • control means 19 can control or control the operating point of the MSAP 3 (i.e., the desired operating point or logged by the reference torque ⁇ , and / or the reference rotation ⁇ rej,) as a function of the position of the rotor 9, the setpoint parameters (Y ref and / or ref ), as well as the electrical return data.
  • control device 1 further comprises estimation means 23, a fault detector 25, and a transition switch 27.
  • the estimating means 23 are configured to determine an estimate ⁇ of the position of the rotor 7 in the estimate Park mark ⁇ - ⁇ . As will be seen in more detail below with reference to FIG. 2, this estimate can be made by correcting the position ⁇ - of the rotating estimation mark ⁇ - ⁇ so that it synchronizes with the reference mark dq linked to the rotor. (see also Figure 6).
  • the fault detector 25 is configured to detect a possible failure of the sensor 15.
  • the fault detector 25 may, for example, consist of a fault signal that is generated or delivered by the sensor 15 itself when it falls. Out of order .
  • the switch 27 is configured to connect the control means 19 either to the estimation means 23 or to the position sensor 15 according to whether the failure signal S indicates that the sensor 15 has failed or not.
  • the switch 27 maintains the connection between the control means 19 and the position sensor 15 so that that the control means 19 receive the measured position 6 m from the rotor 7.
  • the switch 27 then connects the control means 19 to the estimation means 23 so that the control means 19 receive the estimated position ⁇ of the rotor 7.
  • the switch 27 makes it possible to make a transition from a sensor control to a sensorless control of the MSAP 3. This makes it possible to increase the availability of the MSAP 3 in degraded mode. Of course, as soon as the position sensor 15 is repaired, the control of the MSAP 3 can be done again with the position sensor 15.
  • FIG. 1 as well as FIGS. 2-4B are also illustrations of the main steps of the control method according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of the control device of FIG. 1.
  • This diagram shows that the estimation means 23 comprise an electromotive force estimator 31, a speed estimator 33, and an integrator 35.
  • the control means 19 comprise a torque-current converter 37 and a current regulator 39. in addition to the transformation interface 21.
  • the torque-current converter 37 converts the value of the reference torque ⁇ rej into reference currents i S ref , i yref corresponding in the estimate Park mark ⁇ - ⁇ . Moreover, the transformation interface 21 transforms the stator currents i a , i b , i c measured by the electrical measurement means 17 into components of the currents 3 ⁇ 4, i in the ⁇ - ⁇ mark of Park.
  • the current regulator 39 receives the reference currents i Sref , i yref from the torque-current converter 37 and the components of the currents 3 ⁇ 4, i in the ⁇ - ⁇ reference frame from the transformation interface 21 to determining the components of the stator voltages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ in the ⁇ - ⁇ coordinate system corresponding to the setpoint voltages of the inverter 11.
  • the transformation interface 21 receives these components of the stator voltages ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ according to the two-phase model and converts them into set voltages v a , v, v of the inverter 11 according to the three-phase model.
  • the sensorless vector control consists in estimating the angular velocity ⁇ ⁇ so that the positional deviation ⁇ between l3- and ⁇ vanishes (see FIG. 6).
  • the electromotive force estimator 31 receives the components of the currents 3 ⁇ 4, i from the transformation interface
  • the rotational speed ⁇ ⁇ of the rotor is estimated in a loop by the speed estimator 33 as a function of the estimates ê s , ê of the femem determined by the electromotive force estimator 31 and by regulating the component ê s to zero.
  • the rotational speed ⁇ ⁇ of the rotor is initialized by a predetermined initial value ⁇ ⁇ 0 .
  • the speed estimator 31 uses a non-linear corrector to determine the rotation speed ⁇ ⁇ according to a control law having a global convergence domain comprising a single asymptotically stable equilibrium point in the sense of Lyapunov. This equilibrium point corresponds to the MSAF 3 recorded operating point.
  • Figure 3 illustrates an embodiment of the speed estimator 33.
  • the functional diagram of the speed estimator 33 comprises a first speed estimator 43, a comparator 45, first and second sign indicators 47 and 49, an adder 51, and a nonlinear corrector 53.
  • the first velocity estimator 43 is intended to determine a preliminary estimate ⁇ of the rotational speed as a function of the estimated component ⁇ .
  • the second sign indicator 49 is intended to indicate the sign of the component e s .
  • the nonlinear corrector 53 is intended to introduce nonlinear terms in order to make any undesired point of convergence of the control law unstable or to avoid convergence to any undesired solution.
  • the adder 51 is intended to add the nonlinear terms to the preliminary estimate ⁇ to determine the rotation speed ⁇ ⁇ .
  • the first velocity estimator 43 calculates the quotient between the component of the feme associated with the ⁇ axis and a predetermined physical parameter K f depending on the characteristics of the permanent magnets of the rotor, according to the following formula:
  • the nonlinear corrector 53 introduces a correction term according to the sign sign () of the preliminary estimate ⁇ of the speed of rotation, of a predetermined operating parameter b, of the physical parameter K f , of the component E of the emf associated with the ⁇ -axis, and finally a non-linear factor, which depends on the sign of the component E s and a predetermined coefficient ⁇ by the following formula:
  • the adder 51 then adds the above correction term to the preliminary estimate ⁇ to determine the speed of rotation ⁇ l c according to the following formula:
  • the operating parameter b is advantageously between 0 and 3 (0 ⁇ b ⁇ 3) and preferably close to 1.
  • the integrator 35 integrates the speed of rotation ⁇ ⁇ from the velocity estimator 33 to determine the estimate ⁇ of the position of the rotor.
  • the estimation means 23 may comprise means for permanently adjusting the position of the estimated rotor.
  • FIG. 4A shows adjustment means 61 that can be included in the estimation means 23. These adjustment means 61 are configured to make a PI on the difference between the measured rotor position 0 m and the rotor position ⁇ estimated in order to put the latter in pursuit with respect to the position of the rotor 0 m measured.
  • the adjustment means 61 may comprise a position comparator 63 to constantly compare the position of the rotor 0 m measured by the position sensor 15 with the position of the rotor ⁇ estimated from the integrator 35, a PI filter or gain multiplier 65 to effect a feedback so that the integration does not diverge and an additional integrator 67 to synchronize the position of the estimated rotor Marie with rotor position
  • the comparison and the counter-reaction is done continuously to prevent the estimated value ⁇ of the position of the rotor from diverging because during the use of the position sensor 15, the estimated value ⁇ would be in open loop.
  • the last estimated value of the rotational speed ⁇ ⁇ from the speed estimator 33 at this time is injected into the integrator 35 at the time of the control switchover.
  • the difference between the last values measured 0 m and estimated ⁇ is advantageously very small.
  • FIG. 4A shows that the adjustment means 61 comprise an inhibition means 71 to inhibit the adjustment means 61 when the failure detector 25 indicates a failure of the position sensor 15.
  • This inhibiting means 71 may simply comprise a multiplier which makes the product between the failure signal S and the correction of the the position of the rotor delivered by the additional integrator 67.
  • the adjustment means take into account the values measured 0 m from the position of the rotor.
  • FIG. 4B shows that the estimating means 23 may further comprise initialization means 73 for resetting the estimation of the position of the rotor ⁇ with the last estimate ⁇ 0 before the detection of a failure of the position sensor 15 .
  • the initialization means 73 comprise a memory for storing the last value of the position of the rotor (estimated ⁇ or corrected 0 C ) still good.
  • the failure signal S when a failure is detected, the failure signal S generates a trigger on for example a downlink signal that the integration is reset by the last estimate ⁇ 0 of the rotor position.
  • the torque in the transient state between the two controls does not oscillate.
  • control device may comprise processing or calculation means having one or more computer programs comprising code instructions for implementing the control method according to the invention when the program or programs computers are executed by these different elements.
  • the invention also aims at a computer program product that can be implemented in the various elements of the control device, this program comprising code instructions adapted to the implementation of a method according to the invention. invention as described above.
  • the system comprising the MSAP and its control according to the invention can be advantageously used in the motorization of actuators in the onboard systems of an aircraft.
  • it can be used in the compressor, the ventilation system, the thrust reversers, the doors, as well as in many other equipment of the aircraft.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

L' invention concerne un dispositif de commande d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP » comportant : un capteur pour prélever une mesure ? m de la position du rotor, des moyens de contrôle pour contrôler un point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position du rotor et des paramètres de consigne, des moyens d'estimation pour déterminer une estimation ?^ de la position du rotor dans un repère de Park d'estimation d-? lié au rotor, lesdits moyens d'estimation (23) comportant des moyens d'ajustement (61) pour mettre ladite position du rotor ?^ estimée en poursuite par rapport à ladite position du rotor ? m mesurée, un détecteur de panne pour détecter une panne dudit capteur, et un commutateur configuré pour connecter les moyens de contrôle au capteur afin que les moyens de contrôle reçoivent la position mesurée ? m du rotor tant que le détecteur de panne ne signale aucune panne dudit capteur, et sinon pour connecter les moyens de contrôle aux moyens d'estimation afin que les moyens de contrôle reçoivent la position estimée ?^ du rotor lorsque le détecteur de panne signale une panne dudit capteur.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE D ' UNE MSAP
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine de commande des machines synchrones à aimants permanents (MSAP) .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) comporte un stator et un rotor. D'une manière générale, le stator comporte des enroulements connectés en étoile et le rotor comporte des aimants permanents.
Habituellement, une MSAP est alimentée par un onduleur qui permet de diminuer le taux d' ondulation des courants et couple de la machine.
Une MSAP présente un couple élevé et une inertie très faible. De plus, elle a des inductances relativement faibles, ce qui entraîne des réponses rapides des courants et donc du couple.
Ainsi, il est très avantageux d'utiliser les MSAP dans la motorisation d' actionneurs de forte puissance et de haute performance, notamment dans les systèmes embarqués d'un aéronef.
La figure 5 représente de manière schématique un système comportant un dispositif de commande 101, un onduleur 111 et une MSAP 103.
L'onduleur 111 alimente la MSAP 103 à partir d'une tension continue. Il permet d'imposer aux bornes de la MSAP 103 des tensions d'amplitude et de fréquence réglables par le dispositif de commande 101.
Le dispositif de commande 101 est configuré pour commander vectoriellement les tensions de l'onduleur 111 en fonction des données électriques 106 de retour et surtout d'une donnée précise sur la position Θ du rotor. Cette information provient habituellement d'un capteur de position ou de vitesse placé sur l'arbre de la machine.
Toutefois, il existe aussi des dispositifs de commande des MSAP sans capteur (voir par exemple, la publication de Babak Nahid-Mobarakeh et al., intitulée "Analyse de convergence des lois de commande sans capteur des MSAP fondées sur l'estimation de la fém," Revue Internationale de Génie Electrique, Article VO16/5-6-2003- pp547-577 -doi : 10.3166/rige .6.545-577) .
On notera que la description concernant le dispositif de commande sans capteur provient essentiellement de la publication de Babak Nahid- Mobarakeh et al, ci-dessus.
D'une manière générale, les équations électriques d'une MSAP dans un repère fixe lié au stator sont décrites par :
avec va, vb, vc les tensions des phases statoriques, R la résistance des phases statoriques, ia, ib, ic les courants des phases statoriques, et ψα , ψέ , \|/c les flux à travers les enroulements statoriques. La MSAP peut aussi être modélisée de manière très simple dans un repère tournant lié au rotor.
La figure 6 illustre un repère tournant d-q lié au rotor (appelé repère de Park) comprenant un axe direct Od et un axe en quadrature Oq . L'axe direct Od fait un angle Θ par rapport à un axe fixe OOC lié au stator. Plus précisément, l'angle Θ désigne la position du rotor repérée par son axe d'excitation Od .
En appliquant la transformation de Concordia 32 et la transformation de Park au système d'équations ci- dessus, on peut exprimer les équations électriques dans le repère de Park d-q, de la manière suivante : vd=Rid+L- -pQ iq + ed di
Vq = Rii+L-^~pÇ1Lid +ei
avec vd, vq et id, i les composantes directes et en quadrature de tension et de courant, L l'inductance statorique, Ω la vitesse de rotation du rotor (c'est- à-dire, la vitesse angulaire du repère d-q), p le nombre de paires de pôles des aimants permanents du rotor, et ed, eq les composantes de la force électromotrice « fém » dans le repère d-q définies par les relations suivantes : eq = ρΩψf
avec \\ff le flux des aimants à travers le circuit équivalent direct. Etant donné que la position du rotor Θ et la vitesse angulaire Ω ne sont pas mesurées, le repère d - q ne peut pas être localisé et les composantes des grandeurs électriques dans ce repère sont inconnues.
Habituellement, pour résoudre ce problème, on définit un repère tournant d'estimation δ -γ dont la position i3- et la vitesse Ωε sont connues. L'axe Oô du repère d'estimation δ -γ fait un angle i3- par rapport à l'axe fixe Oa et un angle φ par rapport à l'axe Od . L'angle φ indique le décalage entre les axes Oô et Od
Le problème de la commande vectorielle sans capteur consiste alors à déterminer la vitesse angulaire Ωε de sorte que l'écart de position φ entre i3- et Θ s'annule.
Les équations électriques de la MSAP dans le repère d'estimation δ -γ peuvent alors s'écrire de la manière suivante :
dU
νδ = Ri5 + L— - p£lcLi + e5
dt
di
νγ = Riy + L—- - pÇlcLis + ey avec νδ, νγ et ¾, i les composantes de tension et de courant dans le repère δ -γ , Ωε la vitesse angulaire du repère δ -γ , et e5 , ey les composantes de la fém dans le repère δ -γ définies par les relations suivantes :
e = A)/ sin9
e = ?Ωψ , coscp Généralement, pour commander la MSAP sans capteur, on estime les composantes e5 , ey de la fém dans le repère tournant d'estimation δ -γ . Si celui-ci coïncide avec le repère d - q lié au rotor, la composante directe de la fém dans le repère tournant d'estimation devient nulle. Cela donne un critère qui permet de corriger la position i3- et la vitesse Ωε du repère tournant d'estimation δ -γ pour qu'il se synchronise avec le repère d - q lié au rotor. Ensuite, la position et la vitesse du rotor se déduisent directement de la position et la vitesse du repère d'estimation δ -γ .
Le problème de la commande vectorielle sans capteur se résume alors à déterminer une loi de commande définissant la vitesse angulaire Ωε et les composantes des tensions statoriques νδ, νγ dans le repère δ -γ qui garantit la régulation de φ à zéro, et les composantes des courants ¾, i à leurs références href ref déterminées par le couple de référence Y ref .
La figure 7 illustre de manière schématique un dispositif de commande sans capteur.
Ce dispositif de commande comporte un convertisseur couple-courants 137, des moyens de commande vectorielle 119, et une modélisation de l'ensemble 114 onduleur-MSAF dans le repère δ -γ .
Le convertisseur 137 réalise le passage du couple en courant en transformant la valeur du couple de référence (ou couple de cosigne) Yref en des courants de références ¾ ,, i , correspondants dans le repère δ -γ . Les moyens de commande vectorielle 119 déterminent une loi de commande pour commander l'ensemble onduleur-MSAF 114 en garantissant la régulation de φ à zéro (cpre =0) . Cette loi de commande définit la vitesse angulaire Ωε et les composantes des tensions statoriques νδ, νγ dans le repère δ -γ en fonction des composantes des courants ¾, i obtenues à partir des mesures des courants de retour, et les courants de références iSref , iyref .
Un dispositif de commande sans capteur est particulièrement robuste car il comprend un élément de détection en moins. Ainsi, un dispositif de commande sans capteur est plus simple à réaliser et peut avoir une durée de vie plus grande qu'un dispositif de commande avec capteur.
Cependant, un capteur de position est en général très précis et par conséquent, un dispositif de commande utilisant un capteur de position peut réguler les tensions de l'onduleur alimentant la MSAF avec plus de précision qu'un dispositif de commande sans capteur.
L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer un dispositif de commande d'une MSAF présentant une fiabilité optimale et une très grande sécurité qui sont des préoccupations majeures en aéronautique.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de commande d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP » comprenant un stator et un rotor et alimentée par un onduleur, le dispositif de commande comportant :
- un capteur pour prélever une mesure 6m de la position du rotor,
- des moyens de contrôle pour contrôler un point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position du rotor et des paramètres de consigne,
- des moyens d'estimation pour déterminer une estimation Θ de la position du rotor dans un repère de Park d'estimation δ -γ lié au rotor, lesdits moyens d'estimation comportant des moyens d'ajustement pour mettre ladite position du rotor Θ estimée en poursuite par rapport à ladite position du rotor 0m mesurée,
- un détecteur de panne pour détecter une panne dudit capteur, et
- un commutateur configuré pour connecter les moyens de contrôle au capteur afin que les moyens de contrôle reçoivent la position mesurée 6m du rotor tant que le détecteur de panne ne signale aucune panne dudit capteur, et sinon pour connecter les moyens de contrôle aux moyens d'estimation afin que les moyens de contrôle reçoivent la position estimée Θ du rotor lorsque le détecteur de panne signale une panne dudit capteur.
Ceci permet d'augmenter la disponibilité de la MSAP en mode dégradé en assurant le bon fonctionnement de la machine en cas de panne du capteur. On notera que ce dispositif favorise la commande de la MSAP avec la mesure prélevée par le capteur et ne passe à la commande sans capteur que lorsqu'une anomalie du capteur a été détectée tout en permettant d'éviter d'avoir un écart important entre les deux positions au moment où la commande avec capteur bascule vers une commande sans capteur.
Avantageusement, les moyens d'estimation comportent :
- un estimateur de force électromotrice pour estimer des composantes ê , ê de la force électromotrice « fém » dans le repère de Park d'estimation δ -γ en fonction des grandeurs définies dans ledit repère de Park comprenant des composantes des courants ¾, i obtenues à partir des mesures des courants statoriques, des composantes des tensions statoriques νδ, νγ correspondant aux tensions de consigne de l'onduleur, et d'une vitesse de rotation Ωε du rotor,
- un estimateur de vitesse utilisant lesdites composantes estimées ês , ê de la fém en provenance de l'estimateur de force électromotrice et utilisant un correcteur non linéaire pour déterminer la vitesse de rotation Ωε selon une loi de commande présentant un domaine de convergence globale comprenant un unique point d'équilibre asymptotiquement stable correspondant au point de fonctionnement consigné de la MSAP,
- un intégrateur utilisant la vitesse de rotation Ωε en provenance de l'estimateur de vitesse pour calculer ladite estimation Θ de la position du rotor.
Le dispositif de commande selon l'invention permet ainsi de commander la MSAP en cas de panne du capteur selon une loi de commande présentant un domaine de convergence globale qui limite la convergence vers le seul point de fonctionnement voulu quelle que soit la position du rotor par rapport au stator.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit estimateur de vitesse comporte un premier estimateur configuré pour déterminer une estimation préalable Ω de la vitesse de rotation en fonction de la composante estimée ê de la fém associée à l'axe y et un paramètre physique Kf prédéterminé dépendant des caractéristiques des aimants permanents du rotor, selon la formule suivante :
Ω = -¾-,
Kf
et en ce que le correcteur non linéaire est configuré pour réguler la vitesse de rotation en introduisant un terme correcteur à ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation selon la formule suivante :
où b est un paramètre de fonctionnement prédéterminé, sign(Ù) est le signe de ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation, ês est la fém associée à l'axe δ , et où K est un facteur non linéaire qui dépend du signe de la fém ês associée à l'axe δ et d'un coefficient prédéterminé ξ selon la formule et les conditions suivantes : K = l-i).sign(ês) avec 0 < ξ < 1 et —^ <b<- 1
1+ξ 1-ξ Ainsi, le correcteur non linéaire permet de tendre vers un repère réel du rotor en régulant la force électromotrice es associée à l'axe δ à zéro en rendant instable tout point de fonctionnement non désiré. Ceci impose une convergence rapide vers le point de fonctionnement désiré tout en permettant une inversion de la vitesse de rotation.
Lesdits moyens d'ajustement sont configurés pour réaliser un PI entre la position du rotor 0m mesurée et la position du rotor Θ estimée.
Les moyens d'ajustement peuvent avantageusement comporter un moyen d' inhibition pour inhiber les moyens d'ajustement lorsqu'une panne dudit capteur est détectée .
Si une panne est détectée, la correction apportée par les moyens d'ajustement est avantageusement inhibée puisque la position du rotor 0m mesurée est vraisemblablement fausse.
Avantageusement, lesdits moyens d'estimation comportent des moyens d'initialisation pour réinitialiser l'estimation de la position du rotor Θ avec une dernière estimation θ0 de la position du rotor avant la détection d'une panne du capteur.
Ceci permet d'éviter les oscillations de transition et de maintenir constante la valeur du couple lorsque la commande avec capteur est commutée vers la commande sans capteur.
L' invention vise également une machine synchrone à aimant permanent MSAP comportant un dispositif de commande selon les caractéristiques ci-dessus. L' invention vise aussi un actionneur dans un aéronef comportant une MSAP selon les caractéristiques ci-dessus .
L' invention concerne également un procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP » comprenant un stator et un rotor et alimentée par un onduleur, le procédé de commande comportant les étapes suivantes :
- mesurer au moyen d'un capteur une position 0m du rotor, et
- contrôler un point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position du rotor, et des paramètres de consigne,
- déterminer une estimation Θ de la position du rotor dans un repère de Park d'estimation δ -γ lié au rotor,
- mettre ladite position du rotor Θ estimée en poursuite par rapport à ladite position du rotor 0m mesurée,
- détecter une panne dudit capteur, et
- contrôler le point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position mesurée 6m du rotor tant que le capteur n'est pas en panne, et sinon contrôler le point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position estimée Θ du rotor lorsque le capteur est en panne .
Le procédé de commande comporte en outre les étapes suivantes :
- estimer des composantes ê , ê de la force électromotrice « fém » dans le repère de Park d'estimation δ -γ en fonction des grandeurs définies dans ledit repère de Park comprenant des composantes des courants ¾, i obtenues à partir des mesures des courants statoriques, des composantes des tensions statoriques νδ, νγ correspondant aux tensions de consigne de l'onduleur, et d'une vitesse de rotation Ωε du rotor,
- estimer la vitesse de rotation Çlc en fonction desdites composantes estimées ê , ê de la fém et en utilisant un correcteur non linéaire, selon une loi de commande présentant un domaine de convergence globale comprenant un unique point d'équilibre asymptotiquement stable correspondant au point de fonctionnement consigné de la MSAP,
- calculer ladite estimation Θ de la position du rotor en fonction de la vitesse de rotation Ωε .
Le procédé de commande comporte en outre les étapes suivantes :
- déterminer une estimation préalable Ω de la vitesse de rotation en fonction de la composante estimée ê de la fém associée à l'axe γ et un paramètre physique Kf prédéterminé dépendant des caractéristiques des aimants permanents du rotor, selon la formule suivante : Ω = -¾-,
Kf
- réguler la vitesse de rotation en introduisant un terme correcteur à ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation selon la formule suivante : sign(Q est le signe de ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation, ês est la fém associée à l'axe δ , et où K est un facteur non linéaire qui dépend du signe de la fém ês associée à l'axe δ et d'un coefficient prédéterminé ξ selon la formule et les conditions suivantes :
K = 1-ξ.^«( ) avec 0 < ξ < 1 et —!— < b < -
1+ξ ι-ξ
L'invention vise aussi un programme d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de commande ci-dessus.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels de l'invention faits en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif de commande d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP », selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif de commande de la figure 1 ;
- la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation de l'estimateur de vitesse illustré dans la figure 2 ; - les figures 4A et 4B représentent schématiquement des modes de réalisation particuliers des moyens d'ajustement illustrés dans les figures 1 et 2 ;
- la figure 5 représente schématiquement un dispositif de commande d'une MSAP, selon l'art antérieur,
- la figure 6 représente un repère de Park lié au rotor d'une MSAP ; et
- la figure 7 représente schématiquement un dispositif de commande d'une MSAP sans capteur, selon l'art antérieur.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 représente de manière schématique un dispositif de commande 1 d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP » 3, selon l'invention.
La machine MSAP 3 comporte de manière habituelle des enroulements statoriques 5 connectés en étoile à neutre isolé et un rotor 7 à aimants permanents 9 de constitution symétrique avec p paires de pôles (dont une seule paire est ici représentée p = 1 ) .
La MSAP 3 est alimentée par un onduleur 11 qui impose les tensions va, vb, vc aux bornes des enroulements statoriques 5. L'ensemble onduleur-MSAP selon un modèle triphasé, est schématisé par le bloc 13.
Le dispositif de commande 1 comporte un capteur de position 15, des moyens de mesure électrique 17, et des moyens de contrôle 19. Le capteur de position 15 est un resolver (par exemple, un capteur à effet de Hall ou n'importe quel autre type de resolver) monté sur la MSAP 3 pour prélever de manière précise la mesure 0m de la position du rotor 7. Bien entendu, la position peut aussi être déterminée de manière indirecte en mesurant la vitesse de rotation du rotor au lieu de sa position. Dans ce cas, le capteur de position peut comprendre des moyens pour mesurer la vitesse de rotation et un intégrateur pour déterminer la position.
Les moyens de mesure électrique 17 sont configurés pour mesurer des données électriques de retour et plus particulièrement, pour mesurer les courants statoriques ia , ib , ic de la MSAP 3.
Les moyens de contrôle 19 reçoivent des signaux sur la position du rotor, des signaux sur les courants statoriques ia , ib , ic mesurés par les moyens de mesure électrique 17, et des données sur le couple de référence Yref et/ou la rotation de référence lref .
Les moyens de contrôle 19 comportent une interface de transformation 21 entre le modèle triphasé de l'ensemble onduleur-MSAP 13 et un modèle diphasé dans un repère de Park. Cette transformation permet de transformer les grandeurs physiques d'un modèle triphasé vers un modèle diphasé et vice versa, en fonction de la position du rotor 7.
Ainsi, les moyens de contrôle 19 peuvent commander ou contrôler le point de fonctionnement de la MSAP 3 (c'est-à-dire, le point de fonctionnement désiré ou consigné par le couple de référence Γ , et/ou la rotation de référence Ωrej, ) en fonction de la position du rotor 9, les paramètres de consigne ( Yref et/ou lref ) , ainsi que les données électriques de retour.
Conformément à l'invention, le dispositif de commande 1 comporte en outre des moyens d'estimation 23, un détecteur de panne 25, et un commutateur 27 de transition .
Les moyens d'estimation 23 sont configurés pour déterminer une estimation Θ de la position du rotor 7 dans le repère de Park d'estimation δ -γ . Comme, on verra plus en détail ci-après en référence à la figure 2, cette estimation peut être réalisée en corrigeant la position ϋ- du repère tournant d'estimation δ -γ pour qu'il se synchronise avec le repère d-q lié au rotor (voir aussi figure 6) .
Le détecteur de panne 25 est configuré pour détecter une éventuelle panne du capteur 15. En particulier, le détecteur de panne 25 peut par exemple, consister en un signal de panne qui est engendré ou délivré par le capteur 15 lui-même lorsqu'il tombe en panne .
Le commutateur 27 est configuré pour connecter les moyens de contrôle 19 soit aux moyens d'estimation 23, soit au capteur de position 15 selon que le signal de panne S indique que le capteur 15 est en panne ou non .
Plus particulièrement, tant que le détecteur de panne ne signale aucune panne du capteur de position 15, le commutateur 27 maintient la connexion entre les moyens de contrôle 19 et le capteur de position 15 afin que les moyens de contrôle 19 reçoivent la position mesurée 6m du rotor 7. En revanche, lorsque le détecteur de panne signale que le capteur de position 15 est en panne, le commutateur 27 connecte alors les moyens de contrôle 19 aux moyens d'estimation 23 afin que les moyens de contrôle 19 reçoivent la position estimée Θ du rotor 7.
Ainsi, dès que le capteur 27 tombe en panne, le commutateur 27 permet de faire une transition d'une commande avec capteur vers une commande sans capteur de la MSAP 3. Ceci permet d'augmenter la disponibilité de la MSAP 3 en mode dégradé. Bien entendu, dès que le capteur de position 15 est réparé, la commande de la MSAP 3 peut se faire de nouveau avec le capteur de position 15.
On notera que la figure 1 ainsi que les figures 2-4B sont également des illustrations des principales étapes du procédé de commande selon l'invention.
La figure 2 illustre un mode de réalisation du dispositif de commande de la figure 1.
Ce schéma montre que les moyens d'estimation 23 comportent un estimateur de force électromotrice 31, un estimateur de vitesse 33, et un intégrateur 35. De plus, les moyens de contrôle 19 comportent un convertisseur couple-courant 37 et un régulateur de courant 39 en plus de l'interface de transformation 21.
Le convertisseur couple-courant 37 transforme la valeur du couple de référence Γ rej, en des courants de références iS ref , iyref correspondants dans le repère de Park d'estimation δ -γ . Par ailleurs, l'interface de transformation 21 transforme les courants statoriques ia , ib , ic mesurés par les moyens de mesure électrique 17 en des composantes des courants ¾, i dans le repère δ -γ de Park.
En outre, le régulateur de courant 39 reçoit les courants de références iSref , iyref en provenance du convertisseur couple-courant 37 et les composantes des courants ¾, i dans le repère δ -γ en provenance de l'interface de transformation 21 pour déterminer les composantes des tensions statoriques νδ, νγ dans le repère δ -γ correspondant aux tensions de consigne de l'onduleur 11. L'interface de transformation 21 reçoit ces composantes des tensions statoriques νδ, νγ selon le modèle diphasique et les transforme en tensions de consigne va , v, v de l'onduleur 11 selon le modèle triphasique .
La commande vectorielle sans capteur consiste à estimer la vitesse angulaire Ωε de sorte que l'écart de position φ entre l3- et Θ s'annule (voir figure 6) .
Autrement dit, il faut que la vitesse angulaire Ωε soit obtenue à partir d'une loi de commande garantissant la régulation de l'erreur de position φ à zéro (modulo 2π ) .
Cependant, sachant que la composante es de la fém dans l'axe δ tend vers zéro lorsque φ tend vers zéro ( es = ψΏβϊηφ ) , alors la régulation de l'écart de position φ à zéro peut être remplacée par la régulation de es à zéro.
Cette estimation consiste à résoudre dans le repère d'estimation δ -γ , les équations électriques suivantes :
dU
dt
Par conséquent, l'estimateur de force électromotrice 31 reçoit les composantes des courants ¾, i en provenance de l'interface de transformation
21, les composantes des tensions statoriques νδ, νγ en provenance du régulateur de courant 39, et la vitesse de rotation Çlc du rotor en provenance de l'estimateur de vitesse 33 pour estimer en fonction de ces grandeurs, les composantes ês , ê de la fém dans le repère d'estimation δ -γ .
La vitesse de rotation Ωε du rotor est estimée en boucle par l'estimateur de vitesse 33 en fonction des estimations ês , ê de la fém déterminées par l'estimateur de force électromotrice 31 et en régulant la composante ês à zéro. Bien entendu, la vitesse de rotation Ωε du rotor est initialisée par une valeur initiale prédéterminée Ωε0.
Avantageusement, l'estimateur de vitesse 31 utilise un correcteur non linéaire pour déterminer la vitesse de rotation Ωε selon une loi de commande présentant un domaine de convergence globale comprenant un unique point d'équilibre asymptotiquement stable dans le sens de Lyapounov. Ce point d'équilibre correspond au point de fonctionnement consigné de la MSAF 3.
La figure 3 illustre un mode de réalisation de l'estimateur de vitesse 33.
Selon cet exemple, le schéma fonctionnel de l'estimateur de vitesse 33 comporte un premier estimateur de vitesse 43, un comparateur 45, des premier et second indicateurs de signe 47 et 49, un additionneur 51, et un correcteur non linéaire 53.
Le comparateur 45 est destiné à comparer la composante ê à sa composante de référence ¾re = 0 . Le premier estimateur de vitesse 43 est destiné à déterminer une estimation préalable Ω de la vitesse de rotation en fonction de la composante estimée ê . Le premier indicateur de signe 47 est destiné à indiquer le signe de l'estimation préalable Ω de la vitesse de rotation, en supposant que sign(Ù) = sign( .ref ) où lref est la vitesse de rotation consignée. Le second indicateur de signe 49 est destiné à indiquer le signe de la composante ês . Le correcteur non linéaire 53 est destiné à introduire des termes non linéaires afin de rendre instable tout point de convergence non désiré de la loi de commande ou à éviter la convergence vers toute solution non désirée. Finalement l'additionneur 51 est destiné à additionner les termes non linéaires à l'estimation préalable Ω pour déterminer la vitesse de rotation Ωε . Le premier estimateur de vitesse 43 calcule le quotient entre la composante de la fém ê associée à l'axe γ et un paramètre physique Kf prédéterminé dépendant des caractéristiques des aimants permanents du rotor, selon la formule suivante :
Ω =—— avec Kf = \f f .
Kf
Selon un mode particulier de réalisation, le correcteur non linéaire 53 introduit un terme correcteur fonction du signe sign( ) de l'estimation préalable Ω de la vitesse de rotation, d'un paramètre de fonctionnement prédéterminé b , du paramètre physique Kf , de la composante ê de la fém associée à l'axe δ, et finalement d'un facteur non linéaire qui dépend du signe de la composante ês et d'un coefficient prédéterminé ξ selon la formule suivante :
b
-—sig (Q.).K et K = l -§.sign(% ) .
Kf
L'additionneur 51 ajoute ensuite le terme correcteur ci-dessus à l'estimation préalable Ω pour déterminer la vitesse de rotation Çlc selon la formule suivante :
On notera qu'en analysant la stabilité de la loi de commande exprimée par la vitesse de rotation Ωε selon la formule ci-dessus (voir la publication de Babak Nahid-Mobarakeh et al., "Analyse de convergence des lois de commande sans capteur des MSAP fondées sur l'estimation de la fém,"), on constate que toutes les trajectoires dans l'espace de phase φ-Ω convergent vers le point d'équilibre désiré (φ=0, Ω = Ω^) pour les conditions suivantes :
0 < ξ < 1 et —!— < b < -
1+ξ ι-ξ
Le paramètre de fonctionnement b est avantageusement compris entre 0 et 3 (0< b≤3) et de préférence proche de 1.
La loi de commande ci-dessus permet d'empêcher toute trajectoire dans l'espace de phase de converger vers tout point d'équilibre non désiré en rendant certains points d'équilibre instables et en éloignant suffisamment les autres points dans l'espace de phase pour les éviter. Ceci permet en particulier de contourner le problème de non observabilité inhérente aux équations électriques à une vitesse de rotation proche de zéro.
En outre, la dépendance du terme correcteur au signe de la vitesse de rotation sign{Ù permet aux tra ectoires dans l'espace de phase φ -Ω de converger vers le point désiré quel que soit le signe de la vitesse de rotation consigné , ce qui permet l'inversion de vitesse sans aucun problème.
Ainsi, avec les conditions ci-dessus, quel que soit le point initial de coordonnée (-π≤φ≤π, Ω =Ω0), toutes les trajectoires dans l'espace de phase φ-Ω convergent vers le point d'équilibre désiré.
Autrement dit, même si au démarrage, l'erreur de position initiale est de l'ordre de π , la trajectoire converge rapidement vers le point de fonctionnement selon les valeurs consignées du couple et de la vitesse de rotation.
En outre, même si au démarrage, on part d'un point à vitesse de rotation de signe opposé à la vitesse consignée, l'erreur de position converge rapidement vers zéro permettant à la MSAP de s'installer rapidement en régime permanent selon les valeurs consignées du couple et de la vitesse de rotation.
Une fois la vitesse de rotation déterminée par l'estimateur de vitesse 33, l'intégrateur 35 intègre la vitesse de rotation Ωε en provenance de l'estimateur de vitesse 33 pour déterminer l'estimation Θ de la position du rotor.
Par ailleurs, afin de permettre une transition uniforme et précise entre la commande avec capteur et la commande sans capteur, les moyens d'estimation 23 peuvent comprendre des moyens pour ajuster en permanence la position du rotor Θ estimée.
La figure 4A montre des moyens d'ajustement 61 qui peuvent être compris dans les moyens d'estimation 23. Ces moyens d'ajustement 61 sont configurés pour réaliser un PI sur la différence entre la position du rotor 0m mesurée et la position du rotor Θ estimée afin de mettre cette dernière en poursuite par rapport à la position du rotor 0m mesurée.
Ainsi, les moyens d'ajustement 61 peuvent comporter un comparateur de position 63 pour comparer en permanence la position du rotor 0m mesurée par le capteur de position 15 avec la position du rotor Θ estimée en provenance de l'intégrateur 35, un filtre PI ou multiplicateur de gain 65 pour réaliser une contre réaction afin que l'intégration ne diverge pas et un intégrateur supplémentaire 67 pour synchroniser la position du rotor Θ estimée avec la position du rotor
6m mesurée et un deuxième comparateur 69 entre l'issue de l'intégrateur supplémentaire 67 et la position du rotor Θ estimée pour corriger 0C la position du rotor.
On notera que la comparaison et la contre réaction se fait en permanence pour empêcher la valeur estimé Θ de la position du rotor de diverger car pendant l'utilisation du capteur de position 15, la valeur estimé Θ serait en boucle ouverte. Quand une panne du capteur de position 15 est détectée, la dernière valeur estimée de la vitesse de rotation Ωε issue de l'estimateur de vitesse 33 à ce moment là, est injectée dans l'intégrateur 35 au moment du basculement de commande .
Par conséquent, au moment d'un éventuel basculement entre la commande avec capteur et la commande sans capteur, l'écart entre les dernières valeurs mesurée 0m et estimée Θ est avantageusement très réduit.
Une fois la transition faite, la contre réaction n'a plus lieu d'être puisque la valeur du capteur de position 15 est erronée.
En effet, la figure 4A montre que les moyens d'ajustement 61 comprennent un moyen d'inhibition 71 pour inhiber les moyens d'ajustement 61 lorsque le détecteur de panne 25 indique une panne du capteur de position 15. Ce moyen d'inhibition 71 peut tout simplement comporter un multiplicateur qui fait le produit entre le signal de panne S et la correction de la position du rotor délivrée par l'intégrateur supplémentaire 67. Ainsi, lorsqu'une panne est détectée, le signal de panne est égal à zéro (S=0) et donc la sortie du moyen d'inhibition 71 est mise à zéro, ce qui permet d'inhiber ou de ne pas tenir compte de la dernière valeur mesurée 0m de la position du rotor. En revanche, tant que le signal de panne n'indique aucune anomalie du capteur (S=l), les moyens d'ajustement tiennent compte des valeurs mesurées 0m de la position du rotor.
La figure 4B montre que les moyens d'estimation 23 peuvent en outre comprendre des moyens d'initialisation 73 pour réinitialiser l'estimation de la position du rotor Θ avec la dernière estimation θ0 avant la détection d'une panne du capteur de position 15.
Les moyens d'initialisation 73 comprennent une mémoire pour mémoriser la dernière valeur de la position du rotor (estimée Θ ou corrigée 0C ) encore bonne.
En effet, lorsqu'une panne est détectée, le signal de panne S engendre un trigger sur par exemple, un signal descendant qui fait que l'intégration est réinitialisée par la dernière estimation θ0 de la position du rotor. Ainsi, au moment de la commutation entre la commande avec capteur et la commande sans capteur, le couple lors de l'état transitoire entre les deux commandes ne présente pas d'oscillations.
On notera que les différents éléments du dispositif de commande peuvent comporter des moyens de traitement ou de calcul ayant un ou plusieurs programmes d' ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé de commande selon l'invention lorsque le ou les programmes d'ordinateur sont exécutés par ces différents éléments.
En conséquence, l'invention vise aussi un produit programme d'ordinateur, susceptible d'être mis en œuvre dans les différents éléments du dispositif de commande, ce programme comportant des instructions de code adaptées à la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention telle que décrite ci-dessus.
Le système comportant la MSAP et sa commande selon l'invention peut être avantageusement utilisé dans la motorisation d' actionneurs dans les systèmes embarqués d'un aéronef. A titre d'exemple, il peut être utilisé dans le compresseur, le système de ventilation, les inverseurs de poussée, les portes, ainsi que dans beaucoup d'autres équipements de l'aéronef.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de commande (1) d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP » (3) comprenant un stator et un rotor (7) et alimentée par un onduleur (11), le dispositif de commande comportant un capteur (15) pour prélever une mesure 6m de la position du rotor (7) et des moyens de contrôle (19) pour contrôler un point de fonctionnement de la MSAP (3) en fonction de la position du rotor et des paramètres de consigne, caractérisé en ce qu' il comporte en outre :
- des moyens d'estimation (23) pour déterminer une estimation Θ de la position du rotor dans un repère de Park d'estimation δ -γ lié au rotor, lesdits moyens d'estimation (23) comportant des moyens d'ajustement (61) pour mettre ladite position du rotor
Θ estimée en poursuite par rapport à ladite position du rotor 0m mesurée,
- un détecteur de panne (25) pour détecter une panne dudit capteur (15), et
- un commutateur (27) configuré pour connecter les moyens de contrôle (19) au capteur (15) afin que les moyens de contrôle (19) reçoivent la position mesurée 6m du rotor tant que le détecteur de panne (25) ne signale aucune panne dudit capteur, et sinon pour connecter les moyens de contrôle (19) aux moyens d'estimation (23) afin que les moyens de contrôle (19) reçoivent la position estimée Θ du rotor lorsque le détecteur de panne (25) signale une panne dudit capteur.
2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'estimation (23) comportent :
- un estimateur de force électromotrice (31) pour estimer des composantes ê , ê de la force électromotrice « fém » dans le repère de Park d'estimation δ -γ en fonction des grandeurs définies dans ledit repère de Park comprenant des composantes des courants ¾, i obtenues à partir des mesures des courants statoriques, des composantes des tensions statoriques νδ, νγ correspondant aux tensions de consigne de l'onduleur, et d'une vitesse de rotation Ωε du rotor,
- un estimateur de vitesse (33) utilisant lesdites composantes estimées ê , ê de la fém en provenance de l'estimateur de force électromotrice (31) et utilisant un correcteur non linéaire pour déterminer la vitesse de rotation Ωε selon une loi de commande présentant un domaine de convergence globale comprenant un unique point d'équilibre asymptotiquement stable correspondant au point de fonctionnement consigné de la MSAP, et
- un intégrateur (35) utilisant la vitesse de rotation Ωε en provenance de l'estimateur de vitesse
(33) pour calculer ladite estimation Θ de la position du rotor.
3. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit estimateur de vitesse (33) comporte un premier estimateur (43) configuré pour déterminer une estimation préalable Ω de la vitesse de rotation en fonction de la composante estimée ê de la fém associée à l'axe γ et un paramètre physique Kf prédéterminé dépendant des caractéristiques des aimants permanents du rotor, selon la formule suivante :
Ω = -¾-,
Kf
et en ce que le correcteur non linéaire est configuré pour réguler la vitesse de rotation en introduisant un terme correcteur à ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation selon la formule suivante :
où b est un paramètre de fonctionnement prédéterminé, sign(Ù) est le signe de ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation, ês est la fém associée à l'axe δ , et où K est un facteur non linéaire qui dépend du signe de la fém ês associée à l'axe δ et d'un coefficient prédéterminé ξ selon la formule et les conditions suivantes :
4. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ajustement (61) sont configurés pour réaliser un PI entre la position du rotor 0m mesurée et la position du rotor Θ estimée.
5. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ajustement (61) comportent un moyen d'inhibition (71) pour inhiber les moyens d'ajustement lorsqu'une panne dudit capteur est détectée.
6. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'estimation (23) comportent des moyens d'initialisation pour réinitialiser l'estimation de la position du rotor Θ avec une dernière estimation θ0 de la position du rotor avant la détection d'une panne du capteur (15) .
7. Machine synchrone à aimant permanent MSAP comportant un dispositif de commande (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Actionneur dans un aéronef comportant une MSAP selon la revendication 7.
9. Procédé de commande d'une machine synchrone à aimants permanents « MSAP » (3) comprenant un stator et un rotor (7) et alimentée par un onduleur (11), le procédé de commande comportant les étapes suivantes :
- mesurer au moyen d'un capteur (15) une position Θ du rotor, et - contrôler un point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position du rotor, et des paramètres de consigne,
caractérisé en ce que le procédé comporte en outre les étapes suivantes :
- déterminer une estimation Θ de la position du rotor dans un repère de Park d'estimation δ -γ lié au rotor,
- mettre ladite position du rotor Θ estimée en poursuite par rapport à ladite position du rotor 0m mesurée,
- détecter une panne dudit capteur, et
- contrôler le point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position mesurée 6m du rotor tant que le capteur n'est pas en panne, et sinon contrôler le point de fonctionnement de la MSAP en fonction de la position estimée Θ du rotor lorsque le capteur est en panne .
10. Procédé de commande selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' il comporte les étapes suivantes :
- estimer des composantes ês , ê de la force électromotrice « fém » dans le repère de Park d'estimation δ -γ en fonction des grandeurs définies dans ledit repère de Park comprenant des composantes des courants ¾, i obtenues à partir des mesures des courants statoriques, des composantes des tensions statoriques νδ, v correspondant aux tensions de consigne de l'onduleur, et d'une vitesse de rotation Ωε du rotor,
- estimer la vitesse de rotation Ωε en fonction desdites composantes estimées ê , ê de la fém et en utilisant un correcteur non linéaire, selon une loi de commande présentant un domaine de convergence globale comprenant un unique point d'équilibre asymptotiquement stable correspondant au point de fonctionnement consigné de la MSAP, et
- calculer ladite estimation Θ de la position du rotor en fonction de la vitesse de rotation Ωε .
11. Procédé de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' il comporte les étapes suivantes :
- déterminer une estimation préalable Ω de la vitesse de rotation en fonction de la composante estimée ê de la fém associée à l'axe y et un paramètre physique Kf prédéterminé dépendant des caractéristiques des aimants permanents d rotor, selon la formule suivante :
Ω = -¾-,
Kf
-- réguler la vitesse de rotation en introduisant un terme correcteur à ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation selon la formule suivante :
Ωε=^- ^(Ω) .
rij rij
où b est un paramètre de fonctionnement prédéterminé, sign{Ù est le signe de ladite valeur estimée Ω de la vitesse de rotation, ês est la fém associée à l'axe δ , et où K est un facteur non linéaire qui dépend du signe de la fém ês associée à l'axe δ et d'un coefficient prédéterminé ξ selon la formule et les conditions suivantes :
K = l-t.sign(&) avec 0 < ξ < 1 et —!— <b<—^— ,
8 1+ξ 1-ξ
12. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 lorsqu'il est exécuté par des moyens de traitement.
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